Самойлов Павел Игоревич Факультет: Механический Специальность: «Технология машиноcтроения» Тема магистерской диссертации: «Разработка технического и структурного обеспечения повышения качества поверхностно-пластической деформации изделий на базе ультразвуковых процессов» Научный руководитель: профеcсор, д.т.н. Михайлов Александр Николаевич

Актуальной задачей современного машиностроения является обеспечение долговечности деталей машин, которая в существенной мере определяется качественным состоянием поверхностного слоя. Именно от качества обработки во многом зависят важнейшие показатели механизмов – работоспособность, надежность, металлоемкость, себестоимость и другие технические и технико-экономические характеристики.

Работоспособность деталей машин зависит от качества обработки входящих деталей и состояния их поверхностного слоя, которое направленно формируется на финишных операциях технологического процесса изготовления.

Поверхность и поверхностный слой детали с точки зрения прочности являются ослабленными. Основной причиной этого является то, что атомы на поверхности имеют устойчивые связи только с соседними и нижележащими атомами, и их состояние является неуравновешенным, неустойчивым.

Разработан ряд методов, позволяющих улучшить состояние поверхностного слоя, в частности, большое распространение получили методы поверхностного пластического деформирования (ППД). ППД - это обработка деталей давлением (без снятия стружки), при которой пластически деформируется только их поверхностный слой. ППД осуществляется инструментом, деформирующие элементы которого (шарики, ролики или тела иной конфигурации) взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью по схемам качения, скольжения или внедрения. При ППД в результате деформационного упрочнения поверхностного слоя, в нем возникают сжимающие остаточные напряжения, сглаживаниее неровностей и улучшение их профиля, повышается прочность деталей при переменных нагрузках в 1,5-2,5 раза, а долговечность в 5-10 раз и более.

Достоинство применения технологии поверхностно-пластической деформации с применением ультразвуковых процессов заключается в том, что эта технология позволяет снизить материалоемкость и повысить надежность и долговечность изделий.

В настоящее время проводится большое количество исследований по нахождению оптимальной системы параметров качества поверхностей деталей машин, которая бы наиболее полно отображала их эксплуатационные свойства

Усилиями многих ученых внесен значительный вклад в развитие теории поверхностно пластического деформирования. Среди которых Азаревич Г.М., Алексеев П.Г., Балтер М.А., Барац Я.И., Браславский В.М., Дрозд М.С., Жасимов М.М., Зайдес А.В., Илюшин А.А., Ишинский А.Ю. Коновалов Е.Г., Кудрявцев И.В., Маталин А.А., Папшев Д.Д. Проскуряков Ю.Г., Резников А.Н., Рыжов Э.В., Сидякин Ю.И., Смелянский В.М., Суслов А.Г., Шахов В.И., Школьник Л.М. Шнейдер Ю.С., Ярославцев В.М.,Чепа П.А., Юдин Д.Л. и многие др.

Цель работы – решение проблемы технологического и структурного обеспечения повышения качества изделий на базе поверхностно-пластических деформаций с использованием ультразвука.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Проведение анализа и определение путей управления качеством и долговечностью упрочняемых изделий.

2. Определение ультразвуковых явлений, оказывающих влияние на процесс обработки поверхностно-пластическим деформированием.

3. Определение влияния ультразвуковых явлений на работоспособность, надежность и точность обрабатываемых изделий.

4. Анализ состояния поверхностного слоя после применения поверхностно-пластической деформации с использованием ультразвуковых колебаний.

5. Разработка рекомендаций по достижению оптимальных показателей, которые обеспечивают наиболее экономическое получение необходимых параметров состояния поверхностного слоя.

Ультразвуковые волны по своей физической природе не отличаются отупругих волн звукового диапазона, а также инфразвуковых волн. В физике колебаний под термином «ультразвуковые колебания» понимают упругие колебания, распространяющиеся в виде волн в газах, жидкостях и твердых телах. Вопросы теории колебаний изложены в многочисленных работах.

Большинство закономерностей, характерных для звуковых колебаний,справедливо и для ультразвуковых и описываются в первом приближении волновым уравнением, общим для всех частот

или

где Δ - оператор Лапласа, W- изменение колеблющейся величины во времени

где τ – время, с; А – амплитуда волны, м; Т – время, за которое совершается полный цикл колебаний или период колебаний, с; х, у, z – координаты источника синусоидальных колебаний, м; х – направление распространения волн; с – скорость звука в среде распространения УЗК, м/с.

Известно, что скорость распространения звука связана с длиной волны λ и частотой колебаний fr соотношением с = λ_y fr. Так как частота колебаний обратно пропорциональна периоду, т. е. времени, необходимому для прохождения волной расстояния, равного одной длине волны, то с = λ_y /Т. Следовательно λ_y= сТ

К основным законам распространения звуковых волн относятся законы отражения и преломления звука на границах различных сред, дифракция и рассеяние звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках. Важную роль играет соотношение между длиной волны λsub>y и характерным для условий ее распространения размером источника звука D (поперечного сечения волновода). При D >> λ_y распространение звука вблизи препятствий происходит главным образом по законам геометрической акустики.

При распространении звуковых волн в среде возникает чередование сжатий и разрежений (рисунок 1), причем амплитуда сжатия всегда равна амплитуде разрежения, а чередование их соответствует частоте колебаний звуковой волны. Это явление называют звуковым давлением.

Источник колебаний достаточно большой мощности не только приводит прилегающие к нему частицы той или иной среды в колебательное движение относительно их положения равновесия, но и вызывает постоянное смещение их – постоянный поток, который носит название акустического или звукового ветра.

Причина возникновения акустического ветра обусловлена законом сохранения количества движения и заключается в том, что переносимое звуковой волной количество движения, связанное с колебаниями частиц среды, при поглощении волны передается среде, вызывая ее регулярное движение. Эффект акустического ветра проявляется в виде сильных течений, приводящих к интенсивному перемешиванию среды и усиливающих тепломассообмен.

Для незатухающих гармонических колебаний смещение q (рисунок 1) и скорость v можно определить по формулам:

где ω – круговая частота, Гц.

Уравнение смещения для свободных затухающих колебаний (рисунок 2)

где δ – коэффициент затухания системы, равный отношению эквивалентного сопротивления потерь в системе r (акустическое сопротивление, кг/с) к ее удвоенной массе m_m

В колебательной системе с потерями снижается не только амплитуда колебаний, но и частота

где f₀ – частота собственных колебаний, Гц.

При малых потерях приближенно считают f = f₀. Амплитуда вынужденных колебаний системы под действием периодической силы

где f_в – частота вынужденных колебаний, Гц.

На малых частотах (f_в < f₀) амплитуда вынужденных колебаний слабо зависит от частоты. При равенстве частот f_в = f₀ (резонанс) амплитуда колебаний максимальна

В идеальной системе без потерь r = 0, тогда А_р > ∞ (система запасает бесконечно большую энергию). В реальной системе накопление энергии ограничено затратами ее на преодоление потерь.

Отношение полного запаса энергии, накапливаемого в колеблющейся системе, к энергии, отдаваемой на преодоление потерь, называется механической добротностью Q_д

Величина, обратная добротности называется коэффициентом потерь

Потери оцениваются также логарифмическим декрементом затухания

Добротность колеблющейся системы может быть определена по ее резонансной кривой (рисунок 3)

Отношение максимума периодической силы Р_т, вызывающей колебания в системе, к амплитуде колебаний скорости v_m носит название механического импеданса Z

Импеданс определяется параметрами колеблющейся системы и не зависит от внешней силы. Величина Z показывает, какую амплитуду колебательной скорости приобретает система под действием приложенной силы. В жестких системах импеданс велик, а скорости малы, в мягких наоборот. При резонансе импеданс минимален и равен активному сопротивлению потерь r (рисунок 4).

Ультразвуковые излучатели

При разработке и реализации любых технологических процессов, связанных с использованием УЗК для их интенсификации, одно из важнейших решений отводится на выбор метода получения УЗК заданной частоты, амплитуды и интенсивности. От того, насколько рационально будет решен этот вопрос, в большой степени зависит технологическая эффективность разработки и результаты внедрения того или иного технологического процесса. Основными элементами в получении УЗК являются УЗ преобразователи и генераторы.

УЗ преобразователи – это устройства, преобразующие электрическуюэнергию в механическую (излучатели), или наоборот, механическую энергию в электрическую (приемники). Для интенсификации технологических процессов использованием энергии УЗ поля необходимы преобразователи первого типа ультразвуковые излучатели или вибраторы. В зависимости от формы потребляемой энергии излучатели разделяют на две основные группы: механические и электромеханические.

Механические излучатели в зависимости от технологического назначения и среды, в которой происходит их эксплуатация, подразделяются на аэродинамические и гидродинамические. Аэродинамические излучатели предназначены для работы в газовых средах. Практическое применение получили в технологических аппаратах (коагуляционные установки, сушилки и пр.) в виде динамических (вращающихся) и статических (свистковых) сирен.

В гидродинамических излучателях акустические колебания возникают врезультате резонансных колебаний пластины или стержня от упругой струи жидкости, вытекающей из сопла (пластинчатые и стержневые излучатели), или в результате срыва вихрей и образования звуковых волн за счет импульсов давления, возникающих при захлопывании кавитационных пузырьков (вихревые излучатели), а также в результате возникновения пульсаций давления при вращении ротора и быстром чередовании совмещений и несовмещений щелей (прорезей) или отверстий статора и ротора (роторные излучатели). Гидродинамические излучатели получили широкое применение в установках для интенсификации процессов гомогенизации (смешивания), эмульгирования и др.

Электромеханические излучатели по принципу действия делятся на электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные и пьезокерамические (пьезоэлектрические). С помощью электромеханических излучателей можно создавать механические колебания в пределах от десятков герц до сотен мегагерц. Однако колебания УЗ диапазона способны генерировать только магнитострикционные и пьезокерамические излучатели.

Магнитострикционные излучатели известны с 1887 г., когда Джоуль заметил, что если стержень из ферромагнитного материала поместить в направленное вдоль него магнитное поле, геометрические размеры стержня изменяются. Это явление было названо магнитострикционным эффектом. При этом независимо от вектора направленности магнитного поля, но в зависимости от материала стержня он будет либо удлиняться, либо укорачиваться. Каждому полупериоду изменения магнитного поля соответствует пропорциональное изменение длины (Δl) стержня. Поэтому одному периоду изменения магнитного поля будут соответствовать два периодических изменения длины стержня, то есть частота колебаний стержня будет в два раза выше частоты переменного магнитного поля. Величину Δl можно определить по формуле

Магнитострикционный эффект объясняется следующим образом. В ферромагнетиках существуют элементарные магнитные диполи, которые отличаются от диполей неферромагнитных материалов. Как и все материалы, ферромагнетики состоят из малых однородных кристаллов, расположенных очень плотно, кристаллографические оси которых ориентированы беспорядочно. Отдельные кристаллы объединяются в домены, состоящие из большого числа кристаллов и образующие элементарный диполь. В домене атомные магнитные моменты ориентированы в одном направлении, совпадающем с направлением наилегчайшего намагничивания и соответствующим минимуму потенциальной энергии, складывающейся из энергии кристалла и энергии упругих напряжений.

Энергия кристалла минимальна в направлениях его кристаллографических осей, вдоль которых могут быть ориентированы магнитные моменты (для железа в шести, для никеля в восьми направлениях) под действием внешнего магнитного поля. Большинство доменов ориентируются в тех из направлений, которые образуют наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля. При изменениях ориентации магнитных моментов в отдельных доменах изменяется и кристаллическая решетка в них. Большое количество микроскопических деформаций, направленных в одну сторону, приводит к изменению длины, которое и представляет явление магнитострикции.

Для того чтобы частота колебаний излучателя была равна частоте возбуждающего тока, в обмотку излучателя подводят постоянное напряжение, называемое напряжением поляризации. При наличии поляризации амплитуда деформации А_пол (рисунок 5) во много раз больше при той же амплитуде переменной магнитной индукции В. Соотношение амплитуды переменной деформации поляризованного А_пол и неполяризованного А_неп излучателя может быть определено по формуле

Однако линейная зависимость между переменной индукцией и переменной деформацией существует только до определенного предела. В некоторый момент увеличение индукции не приводит к заметному приращению деформации (рисунок 5). Подмагничивание магнитострикционных излучателей постоянным магнитным полем, как правило, осуществляется постоянным током, подаваемым в отдельную обмотку возбуждения. Для подмагничивания магнитострикционных излучателей малой и средней мощности иногда применяют постоянные магниты, между полюсами которых устанавливают магнитострикционный излучатель. В технике применяются три основных типа магнитострикционных излучателей: стержневые, плоские пакетные и кольцевые. Наибольшее применение находят плоские пакетные и кольцевые излучатели. Среди различных магнитострикционных материалов наибольшее применение в промышленности нашли никель, сплавы железа с алюминием (Альфер 12Ю, Альфер 14Ю), железа с кобальтом (Пермендюр 65К), железа с кобальтом и ванадием (Пермендюр 49КФ2, 49КФ), никеля с алюминием, никеля с кобальтом, железа с никелем. В 1951 г. академик Н.Н. Андреев предложил использовать в качестве магнитострикционных материалов ферриты. Сравнительная дешевизна и простота изготовления делает применение ферритовых магнитострикционных преобразователей весьма перспективным. Свойства ферритов (Феррит Ф-21,Феррит Ф-38, Феррит Ф-41, Феррит Ф-42, Феррит 21СПА, Виброкс I, ВиброксII, Феррокскуб 7А, Феррокскуб 7А2, Феррокскуб 7В) в основном зависят от составляющих (окислы железа, цинка, закись никеля). Ферриты устойчивы против коррозии, имеют значительно меньшую зависимость частоты от температуры, обладают значительным магнитострикционным эффектом, близким к никелю. У ферритов электрическое сопротивление в 108 – 1010 раз больше, чем у металлов, поэтому потери на вихревые токи в них практически отсутствуют. Однако у ферритов есть недостаток – малая механическая прочность, что не допускает их перегрузок при работе в колебательных системах большой мощности. Механические напряжения, возникающие в материале, приводят к образованию трещин, а затем и к разрушению ферритового сердечника излучателя.

Магнитострикционные преобразователи используют в сочетании с пассивными металлическими элементами – диафрагмами (рисунок 6, а) и стержневыми концентраторами (рис. 6, б). Излучатели на основемагнитострикционных преобразователей с диафрагмами широко используют в ваннах УЗ очистки, в устройствах для воздействия УЗК на различные процессы, протекающие в жидкой среде. Магнитострикционные преобразователи со стержневыми концентраторами составляют основу УЗ инструментов для механической обработки, сварки и т. п. Магнитострикционные преобразователи из металлических материалов обладают КПД ~ 50 %, из ферритов, благодаря отсутствию потерь на токи Фуко и высокой механической добротности ~ 70 – 80 %. При работе с малой нагрузкой (например, в УЗ инструментах) ограничивающим фактором является механическая прочность магнитострикционного материала. Так, у ферритовых излучателей в отсутствие нагрузки амплитуда колебаний ограничивается величиной ~ 2 мкм на частотах 20 – 40 кГц, у металлических излучателей амплитуда может достигать 10 мкм и более. Высокая механическая прочность, отсутствие специальных требований к гидро- и электроизоляции сердечника являются достоинствами магнитострикционных преобразователей, определяющими в ряде случаев их преимущество перед пьезоэлектрическими преобразователями при использовании в диапазоне частот от 1 до 100 кГц в УЗ технологии. Однако магнитострикционные преобразователи отличаются большими массами и габаритными размерами, повышенным потреблением энергии, в связи с чем, в последние годы в промышленности все более широкоеприменения находят пьезоэлектрические преобразователи (излучатели).

Пьезоэлектрические излучатели в основе работы имеют пьезоэлектрический эффект. Сущность его состоит в том, что при определенных типах кристаллографической симметрии в результате формирования кристалла возникает прямой пьезоэлектрический эффект, когда на гранях кристалла появляются электрические заряды, пропорциональные величине деформации. Имеет место и обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в кристаллах, помещенных в электрическое поле, возникают внутренние напряжения, пропорциональные напряженности поля, при этом под действием электрических зарядов деформируется (изменяются размеры) кристалл.

Под воздействием внешней силы кристаллическая решетка изменяет свое состояние. Деформация решетки, вызываемая механическим напряжением, приводит к перераспределению электрических зарядов. Однако не при любом расположении диполей в кристалле действие механической силы приводит к деформации, когда изменяется дипольный момент, то есть расстояние между центрами тяжести разноименных зарядов. Это возможно только при наличии полярных направлений, которые имеются у кристаллов, не обладающих центром симметрии.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают сегнетова соль, хлорит натрия, виннокислый калий и др. Наиболее широкое применение получил кварц (двуокись кремния SiO2). Кристалл кварца представляет собой шестигранную призму (рис. 7), к которой сверху и снизу примыкают шестигранные пирамиды. У кристалла одна неполярная ось симметрии Z (оптическая) и три полярных оси Х1, Х2, Х3 (электрические). Каждая из них соединяет противо положные, но не равнозначные ребра шестигранной призмы.

При рассмотрении модели структурной ячейки двуокиси кремния (рисунок 8, а) можно проследить процесс возникновения пьезоэлектрического эффекта. При действии внешней силы в направлении электрической оси Х ячейка приобретает вид рисунок 8, б.

Вследствие этого на одной поверхности возникает положительный заряд, на другой – отрицательный (прямой пьезоэлектрический эффект). При подведении противоположных по знаку электрических зарядов (рис. 8, в) наблюдается растяжение или сжатие ячейки (обратный пьезоэлектрический эффект).

Естественные пьезоэлектрические кристаллы в своем большинстве очень хрупки и не выдерживают больших механических нагрузок (кварц, хлорит натрия и др.) или имеют низкую температуру плавления (например, сегнетова соль, около 60 °С), при которой они теряют пьезоэлектрические свойства и больше не восстанавливают их. Некоторые из них хорошо растворяются в воде (сегнетова соль, хлорит натрия).

Поэтому в науке и технике получили применение синтетические пьезоэлектрические материалы; титанат бария (ТБ-1), титанат бария кальция (ТБК-3), титанат-цирконат свинца (ЦТС-19, ЦТС-23, ЦТБС-3, ЦТСНВ-1, РZT-5H,PZT-8 и др.). У титаната бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз больше, чем у кварца при очень небольшой стоимости. Недостатком титаната бария являются большие механические и диэлектрические потери, что приводит его к перегреву. Кроме того, при температуре свыше 90°С существенно снижается пьезоэлектрический эффект. В связи с этим для изготовления пьезоэлектрических преобразователей используют пьезокерамику в основном из титанат-цирконата свинца, у которой пьезоэффект вдвое больше, чем у титаната бария. Пьезокристаллы ЦТС не растворимы в воде и имеют точку Кюри до 330°С.

Пьезокерамике из синтетических материалов можно придать практически любую форму (рис. 9), а следовательно такие преобразователи могут излучать упругие колебания с одинаковой эффективностью в любом направлении.

Пьезокерамику можно подвергать механической обработке, придавая любые формы и размеры. Преобразователь подвергается воздействию высокого напряжения в течение 2 часов, после чего оно постепенно снижается. Пьезокерамические преобразователи могут быть плоскими и фокусирующими (сферическими, цилиндрическими и др.). Для правильного выбора типа преобразователя и определения основных электрических величин, обеспечивающих его работу, производят расчет параметров, собственной частоты и толщины пьезоэлементов, напряжения, необходимого для возбуждения его на максимальную мощность.

Плоские пьезокерамические излучатели представляют собой пластины прямоугольной или круглой формы, изготовленные из пьезокерамического материала. Толщина пластины l равна половине длины волны λ_у. В этом случае пластина будет колебаться на основной частоте. Частота колебаний пластины определяется из формулы Для расчета полуволновых излучателей пользуются соотношением

где d – толщина пьезопластины, мм; k – постоянная излучателя, кГцмм.

Кроме полуволновых излучателей известны четвертьволновые и многослойные излучатели.

Четвертьволновой излучатель представляет собой систему, состоящую из двух жестко соединенных пластин, одна из которых изготовлена из пьезокерамики и имеет толщину

а вторая – из металла толщиной,

где f₀ - собственная частота, Гц; λ₁ и с₁ – соответственно длина волны, м, и скорость распространения ультразвука, м/с, в используемом металле.

Многослойный излучатель состоит из тонкой пьезокерамичесой пластинки и двух металлических накладок. Собственная частота такого преобразователя зависит от размеров отдельных элементов многослойного излучателя и может быть определена при одинаковой толщине накладок, изготовленных из одного материала, из следующей зависимости:

где ρ – плотность материала пластины, кг/м3; S – площадь поперечного сечения пластины, перпендикулярного направлению излучения, м2; индекс 1 относится к величинам, характеризующим накладки.

В последние годы широко используются в науке и технике составные пакетные излучатели, которые состоят из чередующихся в следующей тельности элементов: металлическая накладка; пьезопластина; накладка; пьезопластина; накладка.

Таким образом, пьезопластины не находятся в середине системы в пучности деформаций. Средняя накладка, разделяющая пьезопластины может иметь небольшую величину. Тогда длина излучателя оказывается заметно меньше, чем λ₂=с1(2fr).

Для уменьшения напряжения на излучателе пьезоэлемент может набираться из двух и более пластин толщиной h=l/2. В этом случае обе накладки заземляются, а напряжение подается на накладку между пьезоэлементами. При этом полное сопротивление излучателя уменьшается примерно в 4 раза, а напряжение – в 2 раза. Конструктивный расчет пакетного излучателя с двойным пьезоэлементом можно проводить без больших погрешностей, принимая l = 2h .

Интенсивность УЗК, излучаемых полуволновым или четвертьволновым излучателем при одностороннем излучении, в общем виде может быть определена из выражения

где W_ак – полная акустическая мощность излучателя, Вт; (ρ с)с_р – удельное акустическое сопротивление озвучиваемой среды, Пас/м; ξ – амплитудное значение колебательной скорости поверхности излучателя, м; k_i– числовой коэффициент, равный для полуволнового излучателя 4 и для четвертьволнового излучателя 1; U_э – эффективное значение возбуждающего напряжения, В; d_зз –толщинный пьезомодуль, м0,5 с кг-0,5; ηам – акустико-механический коэффициент полезного действия (КПД) излучателя.

При работе с многослойным излучателем при одностороннем излучении интенсивность определяется по формуле

УЗ волны от плоского излучателя распространяются в виде параллельного пучка. Однако на некотором расстоянии l_п от излучателя этот пучок начинает расширяться. Это расстояние определяется из выражения

Угол расхождения УЗ лучей определяется формулой

где D – диаметр пьезопластины, м (рисунок 9); α – половина угла расхождения УЗ пучка, град.

С помощью пьезокерамических излучателей можно получить относительно небольшие интенсивности УЗК (обычно до 100 Вт/см2), так как амплитуды колебаний свыше 10 – 15 мкм ограничены механической и электрической прочностью материала керамики. Наибольшая интенсивность для плоских излучателей наблюдается у поверхности. По мере удаления от поверхности интенсивность быстро падает из-за поглощения.

Фокусирующие излучатели позволяют легко получать акустические поля интенсивностью до нескольких кВт/см2. Фокусирование осуществляется или за счет придания излучателю специальных форм (рисунок 9), или с помощью акустических линз и зеркал (рисунок 10). Преимуществом фокусирующих излучателей является и то, что при больших интенсивностях на поверхностях преобразователя, работающих в жидкостях, не возникает кавитация, так как повышенная интенсивность создается в фокальной области, вдали от излучающей поверхности.

Фокусирующие излучатели применяют трех видов: сферические (рисунок 14,а), представляющие собой часть сферической поверхности; корытообразные (рис. 14, б) или незамкнутые цилиндрические; трубчатые (рис. 14, в) или замкнутые цилиндрические. Первый вид позволяет получить большую концентрацию акустической энергии в небольшом объеме. Корытообразные излучатели дают меньшее фокусирование энергии, но зона концентрации у них вытянута по оси корыта. Это удобно для технологических процессов, построенных по принципу непрерывного движения, когда обрабатываемая заготовка перемещается вдоль оси излучателя (например, при мойке). Трубчатые излучатели удобны, например, для бактерицидной обработки СОЖ, эмульгирования, гомогенизации и т. п.

Сферические и корытообразные излучатели из пьезокерамики работают на толщинном резонансе . В большинстве случаев можно считать, что длина волны очень мала по сравнению с радиусом кривизны излучателя поэтому небольшие участки поверхности излучателя можно рассматривать как плоские. Следовательно, резонансная толщина излучателя будет равна длине полуволны 2 или frdp= c₂. Трубчатые излучатели работают как на толщинном резонансе, так и на радиальном (окружном). В первом случае, кроме формы они ничем не отличаются от корытообразных и расчет собственной частоты производится так же. Излучатели с использованием радиального резонанса работают на принципе использования волн Юнга, распространяющихся по окружности цилиндра. Условием резонанса для тонкостенного цилиндра будет

где r – внутренний радиус излучателя, м; d_p – радиальная толщина кольца, м;

с_ю – скорость распространения волн Юнга, равная Е ρ , м/c.

Для удобства расчетов данное выражение можно представить в виде

Линзы, используемые для фокусирования звуковых волн, распространяющихся в жидкости, могут быть сделаны из самых различных жидкостей или твердых материалов: пластмасс, металлов и т. п. Звуковые твердые линзы из пластмасс могут применяться только до интенсивностей не более 1 Вт/см2 и на частотах до 2 МГц. При больших интенсивностях и на более высоких частотах используются металлические линзы. Поскольку на границе металлической линзы в жидкости коэффициент отражения достигает 0,8–0,9, с целью его уменьшения рабочие поверхности линзы покрывают «просветляющими» слоями, например, из бакелитового лака, который на алюминиевые линзы наносят с двух сторон. При этом количество энергии, проходящей через просветленную линзу, существенно увеличивается.

Фокусное расстояние F двояковогнутой линзы можно определить по формуле

где п – показатель преломления, равный с₁/с₂; с₁ – скорость звука в среде, м/с;

с₂ – скорость звука в линзе, м/с; d_T – толщина линзы по главной оси, м; r1 и r2 –радиусы кривизны линзы (радиус имеет знак плюс, если соответствующая поверхность обращена выпуклостью к падающему лучу)

Известны примеры фокусирования УЗ пучка путем применения вогнутого зеркала. В этом случае в фокальном пятне получается значительная интенсивность ультразвука.

Ультразвуковые генераторы Для питания излучателей электрической энергией необходимы УЗ генераторы. К УЗ генераторам предъявляются следующие основные требования:

Использование в качестве нагрузки различных типов излучателей обусловливает ряд особенностей, отличающих генераторы для получения УЗК. При выборе принципиальной электрической схемы возникают противоречия между стремлением, с одной стороны, получить высокий КПД, простоту и малую себестоимость, с другой – обеспечить стабильность частоты, отдаваемой мощности и осуществление простыми средствами согласования нагрузки с выходом генератора. Для выполнения определенных функций и конкретных технологических операций применяются УЗ генераторы с весьма малым диапазоном поднастройки, например, 18 – 25 кГц

Генераторы УЗ частоты, рассчитанные на более широкий диапазон рабочих частот, выполняются, как правило, по многокаскадным схемам с независимым задающим генератором и имеют ряд дополнительных регулирующих органов и измерительных устройств. КПД таких устройств ниже, а габаритные размеры больше, чем у генераторов, имеющих более узкий частотный диапазон.

Промышленностью разработаны и выпускаются УЗ генераторы различной мощности в зависимости от их назначения. По этому признаку УЗ генераторы можно разделить на генераторы малой мощности (50 – 600 Вт), средней и большой (более 1 кВт) мощности. Современные промышленные предприятия наибольшее предпочтение отдают малогабаритной и экономичной УЗ аппаратуре с питающим генератором на современной элементной базе мощностью 50 – 600 Вт. В качестве основных источников УЗК малой мощности до настоящего времени широко использовали генераторы серии УЗУ (УЗУ-01, УЗУ-025, УЗУ-025М) и серии УЗГ (УЗГ13-0,1/22, УЗГ14-0,16/22, УЗГ7-0,25/22,), опыт эксплуатации которых свидетельствует об их надежности и конкурентоспособности. Однако форма электрического сигнала УЗ частоты, вырабатываемого этими генераторами, близка к прямоугольной и при значительной амплитуде выходного электрического сигнала амплитуда колебаний насадка не превышает 5 мкм, т. е. генераторы имеют низкий КПД.

Кроме того, промышленно выпускаемые генераторы данной серии имеют низкую надежность, так как при коротких замыканиях в цепи нагрузки выходят из строя транзисторы выходного каскада, а в некоторых случаях – все транзисторы усилителя мощности. Как показала практика эксплуатации этих генераторов, плавкая вставка, установленная в цепи питания транзисторов выходного каскада усилителя мощности, не является эффективным средством защиты от выхода из строя этих транзисторов при коротком замыкании в цепи нагрузки. К тому же несовременная элементная база обусловливает их большую массу(около 20 кг) и сравнительно большие габаритные размеры (400x450x280 мм).

Достоинство применения технологии поверхностно пластической деформации с применением ультразвуковых процессов заключается в том, что эта технология позволяет снизить материалоемкость и повысить надежность и долговечность изделий.

При поверхностно пластическом деформировании в результате деформационного упрочнения поверхностного слоя, возникновения в нем сжимающих остаточных напряжений, сглаживания неровностей и улучшения их профиля повышается прочность деталей при переменных нагрузках в 1,5-2,5 раза, а долговечность в 5-10 раз и более.

Технологическое оборудование (рис.11) независимо от физико-механических свойств материалов, которые являются непосредственными объектами интенсивного воздействия ультразвуковых колебаний, состоит из следующих узлов: источника питания 1, преобразователя частоты электрического тока 2, системы управления 3, акустической системы 4, (механической колебательной системы).

Важнейшим узлом, составляющим основу оборудования является акустическая система, которая служит для:

Акустическая система состоит из преобразователей - магнитострикционного (МСП) или пьезоэлектрического (ПЭП) - и волноводных звеньев, кратных распространяющимся полуволнам. МСП (или ПЭП) трансформируют электрические колебания в механические за счет пьезоэлектрических и магнитострикционных эффектов. Суть их заключается в том, что некоторые материалы (например, никель, пермендюр, ферриты, пьезокерамика и т. п.) при воздействии электричества меняют свои размеры. Теория этих явлений сложна, разработана недостаточно, расчетные формулы для определения, например, геометрических размеров МСП позволяют получать приближенные значения.

Наиболее рациональным материалом для изготовления преобразователя является пермендюр. Он отличается сильно выраженным магнитострикционным эффектом, т. е. позволяет получать весьма значительные мощности при относительно небольших размерах вибратора. Однако, по сравнению с никелем, он обладает недостаточной механической прочностью и антикоррозионной стойкостью.

Волноводные звенья, являясь составной частью механической колебательной системы, позволяют согласовывать сопротивления системы с нагрузкой, менять исходную амплитуду колебаний, концентрировать энергию ультразвука в технологической зоне и т. п. Практическое применение нашли следующие типы волноводов: ступенчатый, конический и экспоненциальный.

Основными материалами для изготовления волноводов могут служить стали 40Х, 45, 30ХГСА и др., которые обладают достаточной упругостью, хорошо паяются твердыми припоями, обладают минимальными потерями и т. п. В последнее время успешно начали применяться титановые сплавы.

Конечным элементом акустической системы является излучатель ультразвука (УЗ). Это важнейший элемент подачи энергии в зону обработки металла. Его форма и материал предопределяют эффект обработки поверхности металла.

Варианты конструкций излучателей могут быть самыми разнообразными в зависимости от его назначения. Например, для обработки галтелей могут быть использованы "рога". Излучатели могут профилироваться для обработки пазов, канавок, отверстий и т. п. Известен вариант конструктивной формы излучателя со сквозной шпилькой, которая может вворачиваться до необходимого уровня относительно боковых излучателей. При модификации излучателей должны соблюдаться акустические нормы - резонанс, энергетика процесса, тщательное сопряжение плоскостей и т. п.

Производительность процесса обработки поверхностно-пластической деформацией с применением ультразвуковых процессов находится на уровне чистового точения металла

Основными параметрами для ее расчета является следующее:

Таким образом, практическое применение универсального оборудования для поверхностно-пластической деформации с использованием ультразвуковых процессов дает немалый экономический эффект. Технология поверхностно пластической деформации с применением ультразвуковых процессов обработки, позволяет упростить и удешевить весь процесс металлообработки.

С помощью такого оборудования можно обрабатывать большинство известных марок стали, алюминия, меди и других металлов. Обрабатываются различные конструктивные формы деталей: цилиндрические наружные и внутренние поверхности, торцевые, конические и шаровые поверхности, различные выступы, прямоугольные и радиусные канавки и т.д.

Сообщение ультразвуковых колебаний инструментам является эффективным средством воздействия на тепловой режим процесса обработки. Изменяя амплитуду колебаний инструмента, можно в определенных пределах управлять тепловым режимом процесса обработки материалов и создавать наиболее благоприятные условия работы инструмента и формирования поверхностного слоя детали.

В данный момент работа над темой продолжается и будет законченна в декабре 2008 года

1. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием.- М.: Машиностроение, 2002.-300 с.
2. Киселев Е. С. Интенсификация процессов механической обработки использованием энергии ультразвукового поля: Учебное пособие. – Ульяновск: УлГТУ, 2003. – 186 с.
3. Марков Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов.- М.: Машиностроение 1968.-352 с
4. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Иностранная литература, 1957. - 728 с.
5. Марков А.И. Кинематика процесса резания при возбуждении ультразвуковых колебаний инструмента. М Ультразвуковая техника. 1964.
6. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства.-Л.:Машиностроение , 1972.- 210с.
7. Марков А.И. Влияние вынужденных ультразвуковых колебаний малой амплитуды на процесс резания металлов. М.: Машиностроение, 1965. .
8. Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняющей и формообразующей обработки металлов. - М.: Машиностроение , 1971.- 203с
9. Дальский А.М. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. - М.: Машиностроение, 1975- 222с.
10. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2 / Под ред. А. М. Дальского, А. Г. Суслова, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. – М.: Машиностроение, 2001. – 944 с.
11. Поляк М. С. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения. В 2-х т. Т. 2. - М.: Машиностроение, 1995. – 688 с.
12. Суслов А. Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. - М.: Машиностроение, 1987. 208 с.
13. Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняющей и формообразующей обработки металлов. - М.: Машиностроение, 1971.- 203с.
14. Папшев Д. Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 1978. – 152 с.
15. Балтер М. А. Упрочнение деталей машин. – М.: Машиностроение, 1978. – 184 с.
16. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. – М.: Машиностроение, 2000. – 320с.
17. Проскуряков Ю. Г. Упрочняюще-калибрующие методы обработки: Справочное пособие. – М.: Машиностроение, 1965. – 208 с.
18. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. - Л.: Машиностроение, 1972.- 210с
19. Рыжов Э.В. , Суслов А.Г. , Федоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. - М.: Машиностроение, 1979.- 175с.
20. Патент RU 2291033 С1. Устройство для ультразвуковой обработки поверхностей деталей / Ю.В. Холопов (Россия). № 2005124573/02. Заявл. 02.08.2005. Опубл. 10.01.2007 Бюл. № 1.
21. http://masters.donntu.ru/2003/mech/bobyr/diss/index.html
    Автореферат магистерской работы Бобырь Н.А. на тему: "Повышение качества поверхностного слоя деталей машин при отделочной обработке"
22. http://www.masters.donntu.ru/t2005/mech/dubodelova/diss/index.htm
    Автореферат магистерской работы Дубоделовой О.С. на тему: «Повышение качества обработки деталей машин с использованием методов поверхностно-пластического деформирования» - Донецк, ДонНТУ, 2005.